1 UVOD

Polimerni materijali su najvažniji tehnički materijali u auto –industriji uz aluminij, čelik, gume i željezo u manjim količinama. Polimeri su velike molekule sastavljene od dijelova koji se ponavljaju (monomera) u dugačke lance. Iako se pojam polimer često koristi kao sinonim za plastiku, u polimere se u povezanoj kemiji ubraja veliki broj prirodnih i umjetnih materijala s različitim svojstvima. Inače to su materijali najvećim dijelom građeni od ugljika, vodika, kisika a ponekad sadrže i klor, fluor i dušik. Do njih se dolazi preradom prirodnih sirovina (celuloze) ili se dobivaju kemijskom sintezom iz pojedinh frakcija nafte. Plastične mase imaju brojne prednosti ispred prirodnih materijala: dobri su toplinski i električni izolatori, otporni su prema vodi, mnoge su otporne prema kiselinama i lužinama, nisu izložene koroziji, lako se oblikuju. Vrlo loše svojstvo je njihova biološka nerazgradivost tih plastičnih masa koje je uzrok velikih svijetskih ekoloških problema. Današnjom tehnologijom sve je moguće reciklirati pa tako i plastiku koja čini na automobilu i do 60% dijelova koji se potom vraćaju natrag u preradu.

1

2 PODJELA POLIMERNIH MATERIJALA

Sintetički polimer koji pripadaju skupini plastometra su:

Polietilen (PE) koji se dobiva polimerizacijom plina etilena koja može biti niskotlačna i visokotlačna. Visokotlačna polimerizacja izvodi pod tlakom od 100 do 120 MP na 150 do 250 °C, uz prisutnost kisika kao katalizatora. Nastali polietilen ima molekule u obliku razgrananog lanca. Mek je ili polutvrd i ima manju gustoću. Niskotlačna polimerizacija izvodi se pod normalnim tlakom a pri određenim uvjetima uz katalizator služe spojevi aluminija. Nastali polietilen ima linearne molekule, te ima veću gustoću, tvrđi je, ima veću čvrstoću na kidanje i veću postojanost na povišene temperature. Polietilen je proziran, žilav, savitljiv, nelomljiv, bez mirisa, kemijski postojan i s odličnim izolacijskim svojstvima. Radna temperatura polietilena je od 40 do 70 °C. lako se oblikuje, preša, ljeva, sinterira i zavaruje. Koristi se za izradu plastičnih folija, vrećica, posuđa, igračaka, boca i cijevi.

Polivinil-klorid (PVC) je najstariji polimer, koji se industrijski koristi od 1937. godine. Čisti PVC je u čvrstom stanju. Uz dodatak omekšivača može se trajno omekšati kao koža i guma. Da bi mu se promijenila svojstva, dodaju se razni plastifikatori, punila, omekšivači, stabilizatori i boje. PVC je materijal koji osvaja prije svega prednostima; dugovječnosti, raznolikosti, oblikovanje, daljnja obrada, zaštita od požara (PVC je teško zapaljiv) ekonomičnost, štednja energije. Lako se upotrebljava; mehanički, kemijski, toplinski. Postupak proizvodnje; klor-alkalna elektrolizom proizvode se kaustična soda i klor. PVC je otkriven 1835.g., patentiran 1913. g., industrijski se proizvodi od 1937.g . Mala je toplinska postojanost te se omekšava već kod 85 °C. Proizvode se izolacije električnih vodova, unutrašnje obloge vrata, zaštita donjeg postroja, igračke, folije, umjetna vlakna.

Polistiren (PS) je primjer polimerizacije, svaki monomer stirena svoju duplu vezu troši na stvaranje veze s drugim stirenom, tvoreći tako polistiren. Polimerizacija se obavlja u masi, suspenziji, emulziji ili otopini uz prisutnost katalizatora. Polistireni dobiveni bilo kojom tehnikom dorađuju se dodavanjem elastomera, punila, omekšivača, boja i stabilizatora. Polistiren je otporan na kiseline, lužine i ulja, ali je neotporan na benzin i benzen. Upotrebljava se za izradu dijelova električnih uređaja, instrumentnih ploča i dekorativnih materijala.

Poliesteri (PES) su bezbojni i prozirni materijali specifične mase oko 1,3kg/dm3

Najpoznatiji poliesteri su poznate alkidne smole koje se koriste kao termolakovi za bojenje automobila a imaju specifičnu zlatnu boju. Poliesteri povezani s staklenim vlaknima ili staklenom tkaninom odnosno ugljičnim vlaknima primjenjuje se na automobilima pod nazivom karbon.

2

Poliakrilati se dobivaju polimerizacijom akrilne i metakrilne kiseline. Akrilati su veoma otporni na atmosferske prilike, kiseline i starenje. Polimezirati akrilne i metakrilne kiseline su prozirni i imaju deset puta manju toplinsku provodljivost od stakla. Propuštaju čak 91% svijetlosti pa se koriste za instrumentne ploče, automobilske farove i stražnja svjetla. Mogu se oblikovati ljevanjem, ubrizgavanjem, ekstrudiranjem, te toplinskom obradom pri 200 do 230 ºC.

Polimerizacija je proces stvaranja strukture polimera vezivanjem više manjih monomera. Dugačak lanac nastao spajanjem monomera naziva se polimer. Prirodni primjer su proteini, oni su polimeri s više od 100 aminokiselina u svom sastavu; gdje svaka aminokiselina predstavlja jedan monomer, a kada se spoje nastaje polimer odnosno protein.

U kemijskim spojevima, polimerizacija nastaje preko više različitih vrsta mehanizama koji variraju u svojoj složenosti ovisno o funkcionalnoj skupini spoja koji reagira. Jedan od jednostavnijih mehanizama polimerizacija odvija se kod alkena, koji zahvaljujući procesu polimerizacije tvore korisne spojeve kao što je polieten ili polivinil klorid (engl. PVC)

Slika 1. Polimerizacija etena u polietilenPolimerizacija etena, nastaje polieten

Spoj kao što je PVC, može se nazvati i jednostavnim polimerom jer se njegov lanac sastoji samo od jedne vrste molekula. Polimeri koji u svojoj strukturi imaju više vrsta molekula nazivaju se ko-polimeri.

Sintetički polimeri su materijali koji nastaju procesom polimerizacije malih molekulskih jedinki. Tu se molekule male molekulske mase (monomeri) međusobno spajaju i dobivaju se molekule velike molekulske građe (polimere). Dijele se na tri temeljne skupine:

1.Plastomeri (termoplasti) su sintetički polimeri čije su molekule dugi, linearni ili razgranati lanci. Osnovno svojstvo plastometra je da zagrijavanjem omekšaju ili se rastale a hlađenjem očvrsnu ne promijenivši svojstva.

2. Elastomeri su sintetički polimeri čije su molekule međusobno povezane manjim brojem poprečnih veza. Odlikuju se savitljivošću (rastezljivošću) pri sobnoj temperaturi.

3

3. Duromeri (duroplasti) su građeni od gusto umreženih polimerskih molekula. To su tvrdi materijali koji se ne mogu preoblikovati zagrijavanjem i lako se lome.

Slika 2. Molekule polimera

Polimerni materijali sastoje se od polimerne osnove “polimerizata”, te dodataka radi poboljšanja svojstava koji poboljšavaju preradbena svojstva polimera i uporabna svojstva gotovog proizvoda. Sastoje se od makromolekula ponavljajućih jedinica monomera povezanih kovalentnim vezama te je broj monomera u polimerima stupanj polimerizacije.Dijelimo ih na prirodne (celuloza, škrob, bjelančevine i kaučuk) te mogu poslužiti za dobivanje modificiranih prirodnih polimera.Postoje i sintetički materijali dobiveni umjetnim putem koji dobivaju se kemijskom reakcijom

polimerizacije iz sirovine – monomera.Prednosti s obzirom na prirodne polimere su manja gustoća te dobivene dijelove nije potrebno dorađivati. Također ne podliježu koroziji, te su otporni na kemikalije. Dobri su električni, zvučni i toplinski izolatori. U optičkom pogledu mogu biti prozračni, prozirni i neprovidni.Njihovi su nedostaci: mehanička svojstva, slaba stabilnost polimera prema djelovanju temperature tj. toplinske otpornosti i gorenja, degradirajućih agensa te kemijska promjena do razgradnje polimera (promjene u strukturi), izmjena polimernih svojstava (tzv. starenje polimera) pri čemu dolazi do deformacija materijala te pojava sitnih pukotina na površinii izlučivanje pigmenata.

Polimerni materijali dijele se na plastične mase i elastomere. Plastične mase (konstrukcijski materijali ili u obliku folija) dijele se na termoplaste, elastomere i duroplaste. Elastomeri (proizvodnja guma i njezinih proizvoda), na sobnoj temperaturi su elastični i mogu se deformirati. Termoplasti dovođenjem temperature postaju plastični i prelaze u talinu te hlađenjem ponovo prelaze u krutinu, pri čemu im se ne mijenjaju svojstva.Duroplasti zagrijavanjem ne prelaze u talinu (mrežasta struktura molekula), već se daljim povećanjem temperature razgrađuju.

Plastične mase mogu biti krute i fleksibilne. Čvrste plastične mase imaju i relativno veliku čvrstoću na savijanje i izvjanje, ali im je otpor na dinamičko naprezanje malen. Tvrdoća im je mala, ali je otpor na habanje velik. Kad se opterete na vlak prije kidanja jako se stežu. Čvrstoća na uvijanje i izvijanje im je neznatna, a otpor im je na dinamička naprezanja velik. Također su netopljivi u vodi, u mnogim drugim otapalima, kiselinama i lužinama. Sintetički polimeri su plastični tijekom prerade, ali kasnije otvrdnu i zadržavaju taj oblik. Proizvode se posuđa, cijevi, dijelova raznih uređaja, zupčanici, brtvila i ventili, mogu zamijeniti mnoge prirodne materijale (koža, staklo, drvo, porculan, kovine i razne tekstilne

4

sirovine) ako mu se doda stakleno vlakno ( povećanje čvrstoće),izrada brodova, automobila, pokućstva i montažnih kuća.

Termoplasti zagrijavanjem omekšaju i mijenjaju fizikalno stanje i prelaze iz krutine u talinuproizvode se u tekućem, kašastom i čvrstom stanju. Otporni su na djelovanje najvećeg broja kemikalija. U tu skupinu spadaju polietileni, polipropileni, polistirol, PVC i poliakrilati.

Polietilen se dobiva polimerizacijom plina etilena visokotlačnim postupkom:PENG - specifična razgranata struktura niskotlačnim postupkomPEVG - linearna struktura Na tržištu se pojavjulje pod različitim imenima: pleksiglas, pleksigum, aronal, dijakom itd.

Pleksiglas je najvažniji polimer metilestera metaktilne kiseline koji se lako se obrađuje,a kortisti se za izradu prozirnih dijelova automobila kao što su stakla i razni dijelovi kokpita.

Bakeliti su smole velike čvrstoće, otpornosti na toplinu i dobrih električnih svojstava koji se koriste u prvim automobilima kao volani, razni dijelovi kokpita, strujni krugovi. Među prvima se koristi u autoindustriji. Izumitelj je Joseph Baekland.

Poliesteri se proizvode postupkom polikondenzacije viševalentnih alkohola i višebaznih nezasićenih organskih kiselina razlikujemo zasićene i nezasićene poliestere.Nezasićeni poliesteri - duroplasti

- uporaba: veziva, impregnatori i mase za prešanje- uz dodatak punila (staklena vlakna) - školjke automobila i brodova- industrija lakova

Poliamidi se proizvode polikondenzacijom adipinske kiseline i heksametildiamina- nylon (tekstilno vlakno) – najpoznatiji proizvod- vrlo žilave mase, naglo se tope na T =150 -270 ºC (ovisno o polaznoj sirovini)- istiskivanjem zagrijane mase kroz sapnice dobivaju se vlakna koja se-istodobno i razvlače po duljini te se koriste u auto-industriji jako često zbog svoje jeftine cijene i pristupačnosti (dijelovi za kućanske aparate, crpke za benzin, klizače, remenice, stezne prstenove)

Kaučuk se nalazi u biljkama koje posjeduju mliječni sok -biljka kaučukovac- nalazi se u mikroskopski vidljivim cjevčicama koje su raspoređene po cijeloj stabljici, u obliku koloidne vodene otopine bijele mliječne boje -lateks

- sadrži 30-40 % kaučuka - Svojstva sirovog kaučuk - polimerizacijski proizvod izoprena - otapa se u benzinu, benzolu, kloroformu, eteru, terpentinu - netopiv u alkoholu i vodi

5

- na T = 60 ºC plastičan, na T = 100 ºC ljepljiv - ima ograničenu upotrebu i mora se vulkanizirati - iznimna otpornost na brušenje i deranje

Najpoznatiji proizvod od vulkaniziranog kaučuka - GUMA

Gume imaju 4 osnovne skupine: 1. pneumatska gumena roba-vanjske i unutarnje gume za razna vozila2. tehnička gumena roba3. gumena obuća 4.ostali gumeni proizvodi

Osnovna mehanička svojstva : - čvrstoća, modul elastičnosti i izduženje kod prekida, otpornost na trošenje, trajna deformacija, zamaranje gume- nepropusnost za plinove i otpornost na starenja sve oni gumeni proizvodi koji se upotrebljavaju za različite svrhe u industriji i obrtu- gumene cijevi- gumene ploče za izradu brtvila- gumene vrpce- gumeni profili- izolirani električni kabeli- instalacijski materijal- gumeni čepovi

6

3 POVIJEST POLIMERNIH MATERIJALA U AUTO-INDUSTRIJI

U početku autoindustrije nije bilo nekih materijala koje danas susrećemo u masovnoj proizvodnji. Tada su se koristili svi raspoloživi materijali kao što su željezo, čelik, drvo, aluminij, guma tek u tragovima.Englez John Dunlop krajem 19.st usavršuje gumu tako da ju vulkanizira i napunjena zrakom pruža manji otpor od običnog drvenog kotača obloženog željezom.

7

8

Slika 3. Model automobila iz 1920.

Pošto je industrija polimera početkom 20.st bila u povojima nije se masovno vezala uz automobile.Većinom su to bili gumeni proizvodi na raznim osovinama, a najčešće gume u raznim dimenzijama za osobna i teretna vozila.Najpoznatiji proizvođači su Goodyear, Dunlop, Michelin, BF Goodrich, Pirelli, Bridgestone.Pedesetih godina se uviđa prednost bakelita kao laganog i lako oblikovanog materijala koji se koristi za upravljače, strujne krugove i svjetlosne elemente.Masovna primjena počinje novim sigurnosnim i dizajnerskim smjernicama koje vide plastiku kao lagan i materijal lagan za oblikovanje. Počinje se masovno koristiti za odbojnike

9

automobila koji imaju aerodinamičkih i sigurnisnih svojstava. Masovna primjena polimernih materijala (polietilen PE) dogodila se 80-desetih kada se kokpiti automobila uređuju na funkcionalan način jer su se počeli ugrađivati uređaji koji koriste udobnosti.Pojavljuju se klima uređaji, moderniji brzinomjeri, bolja sjedala ispunjena polimernim materijalima, obloge vrata. Kod nekih proizvođača se javlja karbon, pleksiglas i PVC.

Slika 4.Odbojnici automobila

Slika 5.Dijelovi automobila koji su izrađeni od poliestera

90.god. donose masovnu upotrebu modernih polimernih materijala kao što su poliakrilati za svijetlosne elemente(farovi i stražnja svijetla) te kvalitetnije i kompliciranije instrument ploče.U sadašnjem desetljeću svjedoci smo automobila koji u većini slučajeva koriste polimerne materijale kao osnovu. Polimeri mogu imitirati i neke materijale npr. krom i kožu.

10

hhh

Slika 6.Unutrašnjost modernog automobila Jeep Commando 2009.

Slika 7.Motorni prostor automobila Mercedes-benz

11

4 PRIMJENA U AUTO INDUSTRIJI

U ovom poglavlju je primjer kako možemo izraditi automobil koji je napravljen od jeftinih materijala. Sredinom pedesetih u bivšem DDR-u pojavio se mali automobil imenom Trabant.Proizvodio se u Zwickau u istočnoj Njemačkoj uz tehničku pomoć SSSR-a. Bilo je to doba kada je čelik bio jako skup.

Materijal koji se koristio je duroplast koji se proizvodio od otpadaka tekstilne industrije SSSR-a te plastične prevlake preko njega. Dizajn je bio takav da je duroplast obuhvaćao krov, poklopce motora i prtljažnika, blatobrane i vrata.Takva konstrukcija nije bila nešto sigurna pri crash- testovima, makar u ono vrijeme ni standardni automobili nisu nešto bili sigurni.Proizvodnja je bila krajnje jednostavna te je proizvodnja tekla relativno brzo. Zbog velikog interesa bilo je i liste čekanja te se automobil zbog državnih protekcija čekao i nekoliko godina. Izolacija DDR je bila očita, kako je prolazilo vrijeme i Trabant je tehnički zastarijevao.Padom berlinskog zida 1989. ugasila se i proizvodnja koja je dosegla impresivnu brojku od 2 000 000 komada. Danas je popularni Trabi jedino u srcu njegovih zaljubljenika i nekih drugih vremena.

Slika 8. IPA Trabant 1958-1990.

12

Slika 9. Daimler-benz Smart ForTwo 2005-2009

Krajem 1998.g. pojavio se mali dvosjed koji je odmah zadivio automobilski svijet a zove se Smart. Dugo očekivani proizvod Daimler-benza nije odmah došao u formu (tzv. dječje bolesti). Inžinjeri su u hodu otklanjali probleme zbog problematične konstrukcije motora i mijenjača. Ali Smart je zadivio svijet nečim drugim. Bili su to dijelovi karoserije(vrata i blatobrani) koji su se izmjenjivali u različitim bojama i dezenima. Plastični dijelovi su pričvrščeni na aluminijsku konstrukciju. Smart redovito dobiva 5 Euro NACNAP zvjezdica za sigurnost. Svaki kupac je mogao po svojoj volji izmjenjivati dijelove po volji. Unutrašnjost je bila pretežno obložena tkaninom i polietilenom. Komercijalno ime je Smart Fortwo. Postojao je i Roadster i Smart fourfor. Na crash-testu je pokazao zavidnu čvrstoću zbog svoje sendvič konstrukcije. Materijal je bio polietilen. Takav dizajn se zadržao do danas kad je na cesti već druga generacija tog malog gradskog automobila. Danas postoji široka paleta dezena i svaki je Smart individualan.

13

5 ZAKLJUČAK

Korištenjem polimernih materijala danas se tehnologija proizvodnje automobila modernizirala i zakomplicirala. Poznato je da je jedan prosječni obiteljski automobil sastavljen od oko 10 000 dijelova. Polimeri u raznim vrstama čine oko 60% dijelova. Neki su već reciklirani a neki bi trebali biti kada automobil završi svoj radni vijek. Danas postoje moderni strojevi za reciklažu koji iskorištavaju svaki dijelić automobila. Automobil traje oko 15 god. ali modernizacijom može se i produžiti. Kako je uloga polimernih materijala jako važna tako proizvođači usavršuju te dijelove po ekološkim i sigurnosnim standardima. Smatram da u budućnosti polimerni materijali će imati veliku ulogu te da su nezamjenjivi u autoindustriji.

14

Literatura:

1) Wikipedija www.wikipedia.org 2) Štumberger, Nada: Tehnologija materijala 2., Fakultet prometnih znanosti, Zagreb, 2003.

15